JP3862139B2 - Cmosイメージセンサ - Google Patents
Cmosイメージセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP3862139B2 JP3862139B2 JP2000359098A JP2000359098A JP3862139B2 JP 3862139 B2 JP3862139 B2 JP 3862139B2 JP 2000359098 A JP2000359098 A JP 2000359098A JP 2000359098 A JP2000359098 A JP 2000359098A JP 3862139 B2 JP3862139 B2 JP 3862139B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- transistor
- amplifier
- signal output
- gate
- transfer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明はCMOSイメージセンサに係り、特に画素の出力レベルを増加させるのに好適な画素の回路構成に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
固体の光電変換素子すなわち半導体の光イメージセンサとしては、大きく分けてCCD方式とCMOSセンサ方式の2種類のイメージセンサがある。
両イメージセンサの違いは、入射光を電荷に変換するフォトダイオードの電荷に関する情報を画素外部ヘ伝達する方式の違いにある。
【0003】
CCD方式イメージセンサ(以下、単にCCDともいう)は、発生した電荷を直接CCDにより転送するのに対し、CMOSセンサ方式イメージセンサ(以下、単にCMOSセンサまたはCMOSイメージセンサともいう)は、発生した電荷によって規定される電位の情報を、アンプ用トランジスタを通して外部に伝送する。
【0004】
また、CCDは、電源電圧が通常のCMOS−LSIより高い、2層ポリシリコン配線を用いるなどといった理由により、通常のCMOS−LSIと半導体素子構造が異なるので、CCD専用の半導体集積回路の製造工程(プロセス)によって製造されるのに対し、CMOSセンサは、光電変換部及び駆動部は、通常のCMOS−LSIプロセスとほとんど同じ工程によって製造することができるので、CMOS−LSI用の製造ラインをそのまま使えること、同一基板上に光電変換部と駆動部を混在して作製することができるので、小型化されたイメージセンサを低コストで製造できるというメリットがある。
【0005】
また、CMOSセンサにはCCDに比べて固定パターン雑音が大きいという問題があることが知られている。固定パターン雑音は主にアンプ用トランジスタのしきい値電圧のバラツキによるものであり、ノイズキャンセラが必要である。
また、CCDは電荷転送を行うのに、複数の電源を必要とするが、CMOSセンサは単一電源でよくしかも低電圧でよいので低消費電力である。
また、CCDは現在広く実用に供されているが、CMOSセンサは以上の特徴により実用化のために、種々特性の向上が図られている。
【0006】
以下、添付図面を参照して、従来例のCMOSイメージセンサを具体的に説明する。
図1は、従来例のCMOSイメージセンサの基本構成を示すブロック図である。
図2は、従来例のCMOSイメージセンサにおける画素の構成を示すブロック図である。
【0007】
図1には、表示の簡便さのために2行2列分の画素構成を有するCMOSイメージセンサ1が表示されている。従って、実際には、例えばエリアセンサにおいては、縦横にそれぞれ所定数の画素が配列されており(すなわち、画素の所定数の行と列が形成されている)、また、例えばラインセンサにおいては、所定数の画素が1行、あるいは1列だけ配列されている。
【0008】
なお、各図中において、G,D,Sは、トランジスタ(MOSFETより構成される)のゲート電極(以下、単にゲートともいう)、ドレイン電極(以下,単にドレインともいう)、ソース電極(以下,単にソースともいう)をそれぞれ表す。
【0009】
図2に示すように、各画素10は、フォトダイオード2、転送トランジスタ6、アンプ用トランジスタ(以下、単にアンプともいう)4、行選択トランジスタ5及びリセットトランジスタ3より構成されている。
【0010】
フォトダイオード2のP型領域Pは接地されており、フォトダイオード2のN型領域Nは、転送トランジスタ6のソースに接続されている。転送トランジスタ6のゲートは端子fを介して転送信号出力線28に接続されており、転送トランジスタ6のドレインはリセットトランジスタ3のソース及びアンプ4のゲートに接続されている。リセットトランジスタ3のドレインは、アンプ4のドレイン及び図示しない基準電圧電源に接続されており、所定の電圧Vddが供給されている。リセットトランジスタ3のゲートは端子cを介してリセット信号出力線27に接続されている。
【0011】
行選択トランジスタ5のドレインはアンプ4のソースに、行選択トランジスタ5のソースは端子gを介して列信号出力線20に、及び行選択トランジスタ5のゲートは端子eを介して行信号出力線26に、それぞれ接続されている。
【0012】
各画素10を駆動し、各画素10(の素子)からの出力信号を取り出し、図示しない信号処理回路に出力するために、垂直シフトレジスタ25、負荷トランジスタ22、ノイズキャンセラ11、信号読み出し用トランジスタ14及び水平シフトレジスタ13が配置されている。
垂直シフトレジスタ25には、所定行数の行信号出力線26、リセット信号出力線27及び転送信号出力線28が接続されている。
【0013】
各画素列毎に負荷トランジスタ22が配置されている。図示しない基準電圧電源に接続され、所定の基準電圧が供給されている基準電圧供給線23に、負荷トランジスタ22のドレインが接続されている。負荷トランジスタ22のゲートは、負荷トランジスタ駆動線24に接続されている。負荷トランジスタ22のソースは列信号出力線20に接続されている。列信号出力線20は、各画素列毎に配置されており、各画素10の行選択トランジスタ5のソース及びノイズキャンセラ11に接続されている。
【0014】
信号読出し用トランジスタ14のソースまたはドレインはノイズキャンセラ11に、ソースは信号出力線12に、ゲートは水平シフトレジスタ13に、それぞれ接続されてスイッチを構成している。
【0015】
次に、最も一般的な転送トランジスタを有するCMOSイメージセンサの画素10の基本動作について説明する。
最初に,この画素の読出しが行われていない状態とする。端子f、端子c、端子eは全てLow(以下、単にLともいう)の状態になっている。
この画素の読出し操作がはじまると、まず、垂直シフトレジスタ25より、ある行のリセット信号出力線27を通してリセットトランジスタ3のゲートに、Highの電圧Vdd(以下,単にHともいう)が印加され、これによりリセットトランジスタ3がオンする。
【0016】
ここで、リセットトランジスタ3のしきい値電圧をVthrstとすると、リセットトランジスタ3のドレインとゲートには基準電圧Vddが印加されているので、アンプ4のゲート(端子bに相当する)の電位が、Vp(=(ゲート電位Vg−Vthrst)であり、Vg=Vddのときである)となる。
【0017】
次に、リセット信号出力線27に印加された電圧がローレベル(以下,単にLともいう)に切り替わり、リセットトランジスタ3がオフになる。
次に、垂直シフトレジスタ25より、この行の行信号出力線26を通して行選択トランジスタ5のゲートに、Hが印加され、これにより行選択トランジスタ5がオンする。これにより、アンプ4のソースフォロア回路が作動し、アンプ4のしきい値電圧をVthampとすると、(Vp−Vthamp)の電圧値が端子gを介して列信号出力線20に出力され、ノイズキャンセラ11はこの値を記憶する。
【0018】
次に、垂直シフトレジスタ25より、この行の転送信号出力線28を通して転送トランジスタ6のゲートに、Hが印加され、これにより転送トランジスタ6をオンする。
【0019】
フォトダイオード2には光が照射されており、光電効果により光の量に比例した電子ホール対が発生する。ホールはグランドの方へ逃げていき、電子がフォトダイオード7のN型領域Nに蓄積されている。
転送トランジスタ6がオンとなるので、フォトダイオード2の電荷がアンプ4のゲートに転送されて、ゲートの電位が電荷量に対応してVsigだけ低下する。この結果、フォトダイオード2には電荷がなくなり、リセットされ、転送トランジスタ6はオフになる。
【0020】
一方、行選択トランジスタ5がオンになっているので、アンプ5のゲートの電位は取出され、(Vp−Vsig−Vthamp)が端子gを介して列信号出力線20に出力され、ノイズキャンセラ11に入力される。ノイズキャンセラ11は、先に、アンプ4のゲートをリセットした時に記憶している値(Vp−Vthamp)から、(Vp−Vsig−Vthamp)を差し引いて、フォトダイオード2の出力Vsigを画素の出力信号として取りだす。次に、行選択トランジスタ5をオフにする。
【0021】
この一連の動作を順次他の画素についても、垂直シフトレジスタ25により上の行から下の行に亘って、水平シフトレジスタ13により右列から左列に亘って行い、信号出力線12より画素の出力信号を取りだし、これを一巡してまたこの画素10の順になると、リセットトランジスタ3のオンから,上述の動作を繰り返す。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の画素の回路構成によると、画素の信号が出力されるアンプ4のソースと、行選択トランジスタ5の及びソースが直列につながっている。
この結果、行選択トランジスタ5はオン抵抗という抵抗分があるので、アンプ4の出力を低下させるように作用する。出力信号レベルが低下すると、後の信号処理に不利となり、これを改善するには回路の負担が大きくなるという課題があった。
【0023】
そこで、本発明は上記課題を解決し、CMOSイメージセンサにおいて、フォトダイオードで蓄積された電荷を信号として出力するアンプの信号出力レベルを低下させない画素回路構成を有するCMOSイメージセンサを提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、第1の発明は、複数の画素が規則的に配列され、前記複数の画素のそれぞれは、光電変換により電荷を生成して蓄積するフォトダイオードと、前記電荷を転送する第1転送トランジスタと、前記第1転送トランジスタにより転送された前記電荷を増幅して電位出力信号として出力するアンプ用トランジスタと、を備えたCMOSイメージセンサにおいて、前記アンプ用トランジスタのゲートを接地電位にして、前記アンプ用トランジスタを非動作状態にするアンプオフ用トランジスタと、前記アンプ用トランジスタのゲートを所定電圧にして、前記アンプ用トランジスタを動作状態にするリセットトランジスタと、を備えたことを特徴とするCMOSイメージセンサを提供する。
【0025】
また、第2の発明は、前記第1転送トランジスタの出力側に、前記フォトダイオードと並列して接続され、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記第1転送トランジスタと前記アンプ用トランジスタのゲートとの間に接続され、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えたことを特徴とする請求項1記載のCMOSイメージセンサを提供する。
【0026】
また、第3の発明は、前記第1転送トランジスタの出力側に隣接して接続されたゲート直下の領域のポテンシャルを制御することにより前記フォトダイオードで光電変換された電荷を前記領域に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部のゲートに隣接し、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えたことを特徴とする請求項1記載のCMOSイメージセンサを提供する。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。
なお、説明の簡便のため、従来例における構成要素と同一のものについては,同一の参照符号をつけその説明を省略している。また、各図において、記号G,D,Sは対応するトランジスタ(MOSFET)のゲート,ドレイン,ソースをそれぞれ表す。
【0028】
<第1実施例>
図3は、本発明のCMOSイメージセンサの第1実施例を示す基本構成ブロック図である。
図4は、本発明のCMOSイメージセンサの第1実施例における画素の構成を示すブロック図である。
【0029】
図3に示すように、第1実施例のCMOSイメージセンサ1Aは、従来例のCMOSイメージセンサ1において、垂直シフトレジスタ25に代えて垂直シフトレジスタ25Aとし、画素10に代えて画素10Aとし、画素10に接続されるリセット信号出力線27、転送信号出力線28及び行信号出力線26に代えて、画素10Aに接続されるリセット信号線27A,転送信号出力線28A及びアンプオフ信号出力線29Aとした以外は、従来例のCMOSイメージセンサ1と同様に構成されている。
【0030】
図4に示すように、各画素10Aは、フォトダイオード2A、転送トランジスタ6A、アンプ4A、アンプオフ用トランジスタ7A及びリセットトランジスタ3Aより構成されている。
【0031】
フォトダイオード2AのP型領域Pは接地されており、フォトダイオード2AのN型領域Nは、転送トランジスタ6Aのソースに接続されている。転送トランジスタ6Aのゲートは端子fAを介して転送信号出力線28Aに接続されており、転送トランジスタ6Aのドレインはリセットトランジスタ3Aのソース、アンプ4Aのゲート及びアンプオフ用トランジスタ7Aのドレインに端子bAを介して接続されている。リセットトランジスタ3Aのドレインは、端子dAを介してアンプ4Aのドレイン及び図示しない基準電圧電源に接続されており、所定の電圧Vddが供給されている。リセットトランジスタ3Aのゲートは端子cAを介してリセット信号出力線27Aに接続されている。
【0032】
アンプ4Aのソースは端子gAを介して列信号出力線20に接続されている。アンプオフ用トランジスタ7Aのゲートは、端子hAを介してアンプオフ信号出力線29Aに接続され、アンプオフ用トランジスタ7Aのソースは接地されている。
【0033】
各画素10Aを駆動し、各画素10A(の素子)からの出力信号を取り出し、図示しない信号処理回路に出力するために、垂直シフトレジスタ25A、負荷トランジスタ22、ノイズキャンセラ11、信号読み出し用トランジスタ14及び水平シフトレジスタ13が配置されている。
垂直シフトレジスタ25Aには、所定行数のアンプオフ信号出力線29A、リセット信号出力線27A及び転送信号出力線28Aが接続されている。
【0034】
各画素列毎に負荷トランジスタ22が配置されている。ここで、図示しない基準電圧電源に接続され、所定の基準電圧が供給されている基準電圧供給線23に、負荷トランジスタ22のドレインが接続されている。負荷トランジスタ22のゲートは、負荷トランジスタ駆動線24に接続されている。
負荷トランジスタ22のソースは列信号出力線20に接続されている。列信号出力線20は、各画素列毎に配置されており、各画素10Aのアンプ4Aのソース及びノイズキャンセラ11に接続されている。
【0035】
信号読出し用トランジスタ14のドレインはノイズキャンセラ11に、ソースは信号出力線12に、ゲートは水平シフトレジスタ13に、それぞれ接続されてスイッチを構成している。
【0036】
次に、画素10Aの動作を説明する。
初期状態として,端子fA,端子cAはLow(以下,単にLともいう)に、端子hAはHigh(以下,単にHともいう)になっているものとする。この状態では、端子bAはグランド電位に固定されてアンプ4Aはオフで、端子gAへの出力はない。
【0037】
この画素の読出し動作がはじまると、まず,端子hAがLになる。するとアンプオフ用トランジスタ7Aがオフになり、端子bAが電気的に浮いた状態になる。
次に、垂直シフトレジスタ25Aより、リセット信号出力線27Aを通してリセットトランジスタ3Aのゲートに、Highの電圧Vdd(以下、単にHともいう)であるリセット信号が印加され、リセットトランジスタ3Aがオンする。ここでリセットトランジスタ3Aのしきい値電圧をVthrstとすると、アンプ4Aのゲート電位(すなわち端子bAの電位)は、Vp(=(ゲート電位Vg−Vthrst)であり、Vg=Vddのときである)にリセットされる。
【0038】
アンプ4Aのゲート電位をリセット後、リセット信号出力線27AをLow(以下,単にLともいう)にし、リセットトランジスタ3Aをオフにする。
ここで、アンプ4Aのソースフォロア回路が作動するから、アンプ4Aのしきい値電圧をVthampとすると、端子gAを介して列信号出力線20に(Vp−Vthamp)の値が出力され、ノイズキャンセラ11はこの値を記憶する。
【0039】
次に、垂直シフトレジスタ25Aより転送信号出力線28Aを通して転送トランジスタ6AのゲートにHが印加され、転送トランジスタ6Aがオンする。
光の照射されているフォトダイオード2Aには、光電効果によって発生した電子が電荷としてN型領域に蓄積されているが、この電荷がアンプ4Aのゲート電極(すなわち端子bAに接続する)に転送されて、アンプ4Aのゲートの電位が、電荷に相当する電圧Vsigだけ下がる。すなわち、(Vp−Vsig)となる。電荷が転送されて、フォトダイオード2Aには電荷が無くなり、リセットされる。
【0040】
一方、アンプ4Aのソースフォロア回路が作動しているから、アンプ4Aから端子gAを介して列信号出力線20に、(Vp−Vsig−Vthamp)の値が出力され、ノイズキャンセラ11はこの値と、最初に記憶した値(Vp−Vthamp)との差を取り、信号成分Vsigを取りだし、画素10Aの出力として出力する。
【0041】
次に、垂直シフトレジスタ25Aより、アンプオフ信号出力線29Aを通して、アンプオフ用トランジスタ7AのゲートにHが印加され、アンプオフ用トランジスタがオンする。すると、アンプオフ用トランジスタ7Aのソースは接地されているので、アンプ4Aのゲートは接地電位となり、アンプ4Aはオフとなる。
この状態が初期状態となる。
【0042】
この状態で、上述した、画素の一連の動作を順次他の画素についても、垂直シフトレジスタ25Aにより上の行から下の行に亘って、水平シフトレジスタ13により右列から左列に亘って行い、信号出力線12より画素の出力信号を取りだす。これが一巡すると、再び読出し操作を繰り返す。
【0043】
本第1実施例においては、アンプ4Aから、直接列信号出力線20に出力信号が出力されるので、画素内での信号出力レベルの低下を引き起こさず、トランジスタの配置を変えるだけの簡単な構成によって高い信号出力を得ることができる。
【0044】
<第2実施例>
図5は、本発明のCMOSイメージセンサの第2実施例を示す基本構成ブロック図である。
図6は、本発明のCMOSイメージセンサの第2実施例における画素の構成を示すブロック図である。
【0045】
第2実施例のCMOSイメージセンサ1Bは、第1実施例のCMOSイメージセンサ1Aにおいて、画素10Aに代えて画素10Bとし、垂直シフトレジスタ25Aに代えて垂直シフトレジスタ25Bとし、垂直シフトレジスタ25Aから画素10Aに接続するリセット信号出力線27A、転送信号出力線28A及びアンプオフ信号出力線29Aに代えて、垂直シフトレジスタ25Bから画素10Bに接続するリセット信号出力線27B、第1転送信号出力線28B1,第2転送信号出力線28B2及びアンプオフ信号出力線29Bとした以外はCMOSイメージセンサ1Aと同様にして得たものである。
これによって、CMOSイメージセンサ1Bは、全ての画素の時間情報がそろったフレームシャッター機能を有するものである。
【0046】
図6に示すように、各画素10Bは、フォトダイオード2B、第1転送トランジスタ6B1、第2転送トランジスタ6B2、蓄積容量9B、アンプ4B、アンプオフ用トランジスタ7B及びリセットトランジスタ3Bより構成されている。ここで、蓄積容量9Bは拡散層やMOSFETのゲート電極を用いて構成する。
【0047】
フォトダイオード2BのP型領域Pは接地されており、フォトダイオード2BのN型領域Nは、第1転送トランジスタ6B1のソースに接続されている。第1転送トランジスタ6B1のゲートは端子fB1を介して第1転送信号出力線28B1に接続されており、第1転送トランジスタ6B1のドレインは端子jBを介して第2転送トランジスタ6B2のソースおよび蓄積容量9Bの一端に接続している。蓄積容量9Bの他端は接地されている。
【0048】
第2転送トランジスタ6B2のゲートは端子fB2を介して第2転送信号出力線28B2に接続されており、第2転送トランジスタ6B2のドレインは端子bBを介して、リセットトランジスタ3Bのソース、アンプ4Bのゲート及びアンプオフ用トランジスタ7Bのドレインに接続している。リセットトランジスタ3Bのドレインは端子dBを介してアンプ4Bのドレイン及び図示しない基準電圧電源に接続されており、所定の電圧Vddが供給されている。リセットトランジスタ3Bのゲートは端子cBを介してリセット信号出力線27Bに接続されている。
【0049】
アンプ4Bのソースは端子gBを介して列信号出力線20に接続されている。アンプオフ用トランジスタ7Bのゲートは端子hBを介してアンプオフ信号出力線29Bに接続され、アンプオフ用トランジスタ7Bのソースは接地されている。
【0050】
次に、画素10Bの動作を説明する。
初期状態として、端子fB1,端子fB2、端子cBはLow(以下,単にLともいう)になっており、一方、端子hBはHigh(以下,単にHともいう)になって、端子bBはグランドに固定されていて、アンプ4Bはオフになっているとする。
【0051】
はじめに、CMOSイメージセンサ1Bの全ての第1転送信号出力線28B1をHにして、全画素10Bの第1転送トランジスタ6B1をオンにする。各画素10Bのフォトダイオード2BのN型領域に光電変換により蓄積された電荷が蓄積容量9Bにそれぞれ転送され、各フォトダイオード2Bの電荷が無くなリ、フォトダイオード2Bはリセットされる。次に、第1転送信号出力線28B1の全てをLにし、全画素10Bの第1転送トランジスタ6B1をオフにする。
【0052】
次に、各画素10Bの蓄積容量9Bに蓄積されている電荷を、各画素について順次読み出していく。
まず、端子hBをLにしてアンプオフ用トランジスタ7Bをオフにする。この結果、端子bBは電気的に浮いた状態になる。その後、リセット信号線27BをHにして、しきい値電圧がVthrstであるリセットトランジスタ3Bをオンにする。リセットトランジスタ3Bのドレインには電源電圧Vddが印加されているので、アンプ4Bのゲート電極電位Vpが(Vdd−Vthrst)にリセットされる。
【0053】
アンプ4Bのゲートをリセット後、リセット信号線27BをLにして、リセットトランジスタ3Bをオフにする。
アンプ4Bのソースフォロア回路が作動し、アンプ4Bのしきい値電圧はVthampであるので、端子gBを介して列信号出力線20に、(Vp−Vthamp)の値が出力される。ノイズキャンセラ11はこの値を記憶する。
【0054】
次に、第2転送信号出力線28B2をHにして、第2転送トランジスタ6B2をオンにすると蓄積容量9Bの電荷がアンプ4Bのゲート電極に転送される。蓄積容量9Bの電荷は無くなリ、蓄積容量9Bはリセットされる。
【0055】
次に、第2転送信号出力線28B2をLにして、第2転送トランジスタ6B2をオフにする。アンプ4Bのゲート電極の端子bBの電位が、転送された電荷に対応する電圧Vsig分だけ低下する。アンプ4Bのソースフォロア回路が作動して、端子gBを介して列信号出力線20に、(Vp−Vsig−Vthamp)の値を出力する。ノイズキャンセラ11はこの値と、先に記憶した(Vp−Vthamp)の値の差をとり、信号成分Vsigを取り出す。Vsigは画素10Bの出力信号として、水平シフトレジスタ13により、信号出力線12に出力される。
【0056】
次に、アンプオフ信号出力線29BをHにして、ソースが接地されているアンプオフ用トランジスタ7Bをオンにする。アンプ4Bのゲート電極の端子bBがグランドとなり、アンプ4Bがオフになる。初期状態に戻る。
【0057】
この状態で、上述した、画素の一連の動作を順次他の画素についても、垂直シフトレジスタ25Bにより上の行から下の行に亘って、水平シフトレジスタ13により右列から左列に亘って行い、信号出力線12より画素信号出力を取りだす。これが一巡すると、全画素の電荷一括転送から繰り返す。
【0058】
本第2実施例においては、全画素同時に蓄積容量に一旦電荷を蓄積し、それを画素毎に順次読み出せるので、全画素で時間情報のそろったフレームシャッター機能を有するとともに、アンプ4Bから、直接列信号出力線20に画素信号を出力できるので、画素内での信号出力レベルの低下を引き起こさず、トランジスタの配置を変えるだけの簡単な構成によって高い信号出力を得ることができる。
【0059】
<第3実施例>
図7は、本発明のCMOSイメージセンサの第3実施例を示す基本構成ブロック図である。
図8は、本発明のCMOSイメージセンサの第3実施例における画素の構成を示すブロック図であリ、(a)は画素を、(b)は蓄積部の概念図をそれぞれ示す。
【0060】
第3実施例のCMOSイメージセンサ1Cは、第1実施例のCMOSイメージセンサ1Aにおいて、画素10Aに代えて画素10Cとし、垂直シフトレジスタ25Aに代えて垂直シフトレジスタ25Cとし、垂直シフトレジスタ25Aから画素10Aに接続するリセット信号出力線27A、転送信号出力線28A及びアンプオフ信号出力線29Aに代えて、垂直シフトレジスタ25Cから画素10Cに接続するリセット信号出力線27C、第1転送信号出力線28C1,第2転送信号出力線28C2、第3転送信号出力線28C3及びアンプオフ信号出力線29Cとした以外はCMOSイメージセンサ1Aと同様にして得たものである。
これによって、第2実施例と同様、全画素で時間情報がそろったフレームシャッター機能を有するものである。
【0061】
図8の(a)に示すように、各画素10Cは、フォトダイオード2C、第1転送トランジスタ6C1、第2転送トランジスタ6C2、蓄積部Mccd、アンプ4C、アンプオフ用トランジスタ7C及びリセットトランジスタ3Cより構成されている。
【0062】
ここで、蓄積部Mccdは、CCD転送のようにMOSゲート直下の基板中にポテンシャル井戸を設けて、電荷を蓄積するように構成されており、蓄積部Mccdのゲート電極で直下の基板のポテンシャルを制御するようになっている。図8の(b)には、蓄積部Mccdに電荷を蓄積したときのポテンシャルの様子を示してある。ここでは、左右の壁になっているポテンシャルの高さを、対応する第1及び第2転送トランジスタ6C1、6C2のゲートの電位を変えることによって、ポテンシャル井戸の中への電荷の出し入れを行う。
【0063】
第1転送トランジスタ6C1はソース領域としてフォトダイオード2CのN型領域Nを,及び第2転送トランジスタ6C2は端子bC側にドレイン領域を持つ以外は、特にドレイン及びソースに対応する拡散領域を有しておらず、ゲートだけから構成されており、ゲートの電位を変えることによって、ゲート直下の領域(以下,単にゲート領域ともいう)のポテンシャルを変更するスイッチ機能を有するものである。
【0064】
まず、画素10Cの構成を説明する。
フォトダイオード2CのP型領域Pは接地されており、フォトダイオード2CのN型領域Nは、第1転送トランジスタ6C1のソース領域となっている。
第1転送トランジスタ6C1のゲートは端子fC1を介して第1転送信号出力線28C1に、第2転送トランジスタ6C2のゲートは端子fC2を介して第2転送信号出力線28C2に、蓄積部Mccdのゲートは端子fC3を介して第3転送信号出力線28C3に,それぞれ接続している。
【0065】
蓄積部Mccdは一方が第1転送トランジスタ6C1のゲート領域に隣接し、他方が第2転送トランジスタ6C2のゲート領域に隣接している。
【0066】
端子bCは、リセットトランジスタ3Cのソース、アンプ4Cのゲート、アンプオフ用トランジスタ7Cのドレイン及び第2転送トランジスタ6C2のドレインに接続している。リセットトランジスタ3Cのドレインは端子dCを介してアンプ4Cのドレイン及び図示しない基準電圧電源に接続されており、所定の電圧Vddが供給されている。リセットトランジスタ3Cのゲートは端子cCを介してリセット信号出力線27Cに接続されている。
【0067】
アンプ4Cのソースは端子gCを介して列信号出力線20に接続されている。
アンプオフ用トランジスタ7Cのゲートは端子hCを介してアンプオフ信号出力線29Cに接続され、アンプオフ用トランジスタ7Cのソースは接地されている。
【0068】
次に、画素10Cの動作を説明する。
初期状態としては端子fC1,端子fC3、端子fC2,端子cCにはLow(以下,単にLともいう)が入力され,端子hCにはHigh(以下,単にHともいう)が入力されているとする。アンプオフ用トランジスタ7Cは,オンしているので,端子bCはグランド電位になっており、アンプ4Cはオフになっており,画素10C外への出力はない。
【0069】
はじめに、CMOSイメージセンサ1Cの全ての第1及び第3転送信号出力線28C1、28C3をHにして、全画素10Cの第1転送トランジスタ6C1及び蓄積部Mccdをオンにする。各画素10Cのフォトダイオード2CのN型領域に光電変換により蓄積された電荷が蓄積部Mccdにそれぞれ転送され、各フォトダイオード2Cの電荷が無くなリ、フォトダイオード2Cはリセットされる。次に、第1転送信号出力線28C1の全てをLにし、全画素10Cの第1転送トランジスタ6C1をオフにし、蓄積部Mccdに電荷を保持する。
【0070】
次に、各画素10Cの蓄積部Mccdに蓄積されている電荷を、各画素10Cについて順次読み出していく。
まず、端子hCをLにして、アンプオフ用トランジスタ7Cをオフにする。端子bCは電気的に浮いた状態になる。その後、リセット信号線27CをHにして、しきい値電圧がVthrstであるリセットトランジスタ3Cをオンにする。リセットトランジスタ3Cのドレインには電源電圧Vddが印加されているので、アンプ4Cのゲート電極電位Vpが(Vdd−Vthrst)にリセットされる。
【0071】
アンプ4Cのゲートをリセット後、リセット信号線27CをLにして、リセットトランジスタ3Cをオフする。
アンプ4Cのソースフォロア回路が作動し、アンプ4Cのしきい値電圧はVthampであるので、端子gCを介して列信号出力線20に、(Vp−Vthamp)の値が出力される。ノイズキャンセラ11はこの値を記憶する。
【0072】
次に、第2転送信号出力線28C2をHにして、第2転送トランジスタ6C2をオンにし、第3転送信号出力線28C3をLにして、蓄積部Mccdをオフにすると、蓄積部Mccdに蓄積されている電荷がアンプ4Cのゲート電極に転送され、蓄積部Mccdの電荷は無くなる。次に、第2転送信号出力線28C2をLにして、第2転送トランジスタ6C2をオフにする。
【0073】
アンプ4Cのゲート電極の電位が、転送された電荷に対応する電圧Vsig分だけ低下する。アンプ4Cのソースフォロア回路が作動して、端子gCを介して列信号出力線20に、(Vp−Vsig−Vthamp)の値を出力する。ノイズキャンセラ11はこの値と、先に記憶した(Vp−Vthamp)の値の差をとり、信号成分Vsigを取り出す。Vsigは画素10Cの出力信号として、水平シフトレジスタ13により、信号出力線12に出力される。
【0074】
次に、アンプオフ信号出力線29CをHにして、ソースが接地されているアンプオフ用トランジスタ7Cをオンにする。アンプ4Cのゲート電極の端子bCがグランドとなり、アンプ4Cがオフになる。これで,初期状態に戻る。
【0075】
この状態で、上述した、画素の一連の動作を順次他の画素についても、垂直シフトレジスタ25Cにより上の行から下の行に亘って、水平シフトレジスタ13により右列から左列に亘って行い、信号出力線12より画素の出力信号として取りだす。これが一巡すると、フォトダイオード電荷の全画素一括転送から繰り返す。
【0076】
本第3実施例においては、全画素で同時に蓄積部に一旦電荷を蓄積し、それを画素毎に順次読み出せるので、全画素で時間情報がそろったフレームシャッター機能を有するとともに、アンプから、直接列信号出力線に画素信号を出力できるので、画素内での信号出力レベルの低下を引き起こさず、トランジスタの配置を変えるだけの簡単な構成によって高い信号出力を得ることができる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のCMOSイメージセンサにおいて、請求項1記載によれば、前記アンプ用トランジスタのゲートを接地電位にして、前記アンプ用トランジスタを非動作状態にするアンプオフ用トランジスタと、前記アンプ用トランジスタのゲートを所定電圧にして、前記アンプ用トランジスタを動作状態にするリセットトランジスタと、を備えているので、フォトダイオードで蓄積された電荷を信号として出力するアンプ用トランジスタの信号出力レベルを低下させない画素回路構成を有するCMOSイメージセンサを提供することができるという効果がある。
【0078】
また、請求項2記載によれば、前記第1転送トランジスタの出力側に、前記フォトダイオードと並列して接続され、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記第1転送トランジスタと前記アンプ用トランジスタのゲートとの間に接続され、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えているので、請求項1に記載のCMOSイメージセンサと同様の効果に加えて、フレームシャッター機能を有するCMOSイメージセンサを提供することができるという効果がある。
【0079】
また、請求項3記載によれば、前記第1転送トランジスタの出力側に隣接して接続されたゲート直下の領域のポテンシャルを制御することにより前記フォトダイオードで光電変換された電荷を前記領域に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部のゲートに隣接し、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えているので、請求項1に記載のCMOSイメージセンサと同様の効果に加えて、フレームシャッター機能を有するCMOSイメージセンサを提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来例のCMOSイメージセンサの基本構成を示すブロック図である。
【図2】従来例のCMOSイメージセンサにおける画素の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明のCMOSイメージセンサの第1実施例を示す基本構成ブロック図である。
【図4】本発明のCMOSイメージセンサの第1実施例における画素の構成を示すブロック図である。
【図5】本発明のCMOSイメージセンサの第2実施例を示す基本構成ブロック図である。
【図6】本発明のCMOSイメージセンサの第2実施例における画素の構成を示すブロック図である。
【図7】本発明のCMOSイメージセンサの第3実施例を示す基本構成ブロック図である。
【図8】本発明のCMOSイメージセンサの第3実施例における画素の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1,1A,1B,1C…CMOSイメージセンサ、2,2A,2B,2C…フォトダイオード、3,3A,3B,3C…リセットトランジスタ、4,4A,4B,4C…アンプ(アンプ用トランジスタ)、5…行選択トランジスタ、6,6A…転送トランジスタ、6B1,6C1…第1転送トランジスタ、6B2,6C2…第2転送トランジスタ、7A,7B,7C…アンプオフ用トランジスタ、9B…蓄積容量、10,10A,10B,10C…画素、11…ノイズキャンセラ、12…信号出力線、13…水平シフトレジスタ、14…信号読出し用トランジスタ、20…列信号出力線、22…負荷トランジスタ、23…基準電圧供給線、24…負荷トランジスタ駆動線、25,25A,25B,25C…垂直シフトレジスタ、26…行信号出力線、27,27A,27B,27C…リセット信号出力線、28,28A…転送信号出力線、28B1,28C1…第1転送信号出力線、28B2,28C2…第2転送信号出力線、29A,29B,29C…アンプオフ信号出力線、Mccd…蓄積部。
Claims (3)
- 複数の画素が規則的に配列され、前記複数の画素のそれぞれは、光電変換により電荷を生成して蓄積するフォトダイオードと、前記電荷を転送する第1転送トランジスタと、前記第1転送トランジスタにより転送された前記電荷を増幅して電位出力信号として出力するアンプ用トランジスタと、を備えたCMOSイメージセンサにおいて、
前記アンプ用トランジスタのゲートを接地電位にして、前記アンプ用トランジスタを非動作状態にするアンプオフ用トランジスタと、
前記アンプ用トランジスタのゲートを所定電圧にして、前記アンプ用トランジスタを動作状態にするリセットトランジスタと、
を備えたことを特徴とするCMOSイメージセンサ。 - 前記第1転送トランジスタの出力側に、前記フォトダイオードと並列して接続され、前記フォトダイオードで光電変換された電荷を蓄積する蓄積部と、前記第1転送トランジスタと前記アンプ用トランジスタのゲートとの間に接続され、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えたことを特徴とする請求項1記載のCMOSイメージセンサ。
- 前記第1転送トランジスタの出力側に隣接して接続されたゲート直下の領域のポテンシャルを制御することにより前記フォトダイオードで光電変換された電荷を前記領域に蓄積する蓄積部と、前記蓄積部のゲートに隣接し、前記蓄積部に蓄積された前記電荷を前記アンプ用トランジスタに転送する第2転送トランジスタと、を備えたことを特徴とする請求項1記載のCMOSイメージセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000359098A JP3862139B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | Cmosイメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000359098A JP3862139B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | Cmosイメージセンサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002165133A JP2002165133A (ja) | 2002-06-07 |
JP3862139B2 true JP3862139B2 (ja) | 2006-12-27 |
Family
ID=18830913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000359098A Expired - Fee Related JP3862139B2 (ja) | 2000-11-27 | 2000-11-27 | Cmosイメージセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3862139B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9209209B2 (en) | 2010-10-29 | 2015-12-08 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Photoelectric conversion device and method for operating the same |
-
2000
- 2000-11-27 JP JP2000359098A patent/JP3862139B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2002165133A (ja) | 2002-06-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3794637B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
EP1416721B1 (en) | Image pickup apparatus | |
JP3734717B2 (ja) | イメージセンサ | |
US8314376B2 (en) | Solid-state imaging device, method for driving solid-state imaging device, and electronic apparatus | |
US6624850B1 (en) | Photogate active pixel sensor with high fill factor and correlated double sampling | |
KR100283638B1 (ko) | Mos형 촬상 소자를 이용한 촬상 장치 | |
US6218656B1 (en) | Photodiode active pixel sensor with shared reset signal row select | |
US6587146B1 (en) | Three transistor active pixel sensor architecture with correlated double sampling | |
CN112911173A (zh) | 图像传感器 | |
KR100755970B1 (ko) | 씨모스 이미지 센서 | |
JP2002516530A (ja) | キャパシタレス相関二重サンプリング方式のアクティブ画素センサ | |
JP3667094B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
US5796431A (en) | Solid-state image pickup device and driving method thereof | |
EP1223746B1 (en) | Active pixel image sensor with improved linearity | |
EP1091409A2 (en) | Solid-state image pickup device and image pickup system | |
JP2003017677A (ja) | 撮像装置 | |
JP3833027B2 (ja) | 固体撮像装置及び画像入力装置 | |
JP3862139B2 (ja) | Cmosイメージセンサ | |
JP4025586B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
US20050151867A1 (en) | Solid-state image pickup device with CMOS image sensor having amplified pixel arrangement | |
JP4672976B2 (ja) | 固体撮像装置 | |
JP3487575B2 (ja) | 光電変換装置 | |
US7675562B2 (en) | CMOS image sensor including column driver circuits and method for sensing an image using the same | |
JP2004104116A (ja) | 撮像装置 | |
JP4336544B2 (ja) | 固体撮像装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051101 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051228 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060908 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060921 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 3862139 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101006 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111006 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111006 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121006 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121006 Year of fee payment: 6 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121006 Year of fee payment: 6 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131006 Year of fee payment: 7 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |